z軸加速度にハイパスフィルターを適用することは、人間の動きのバックグラウンドノイズから、かかと着地の高エネルギーインパルスを分離するための重要なステップです。このプロセスは、胴体の振動や姿勢の揺れなどの低周波信号を除去し、地面反力によって引き起こされる鋭い特徴的な加速度ピークを際立たせます。これらの高周波成分に焦点を当てることで、歩行検出アルゴリズムは大幅に高い精度と堅牢性を実現します。
IMUデータにおけるハイパスフィルタリングの主な重要性は、遅い体の振動と突然の衝撃力とを分離できる能力にあります。これにより、アルゴリズムが正確なかかと着地の瞬間を確実に特定できる、明確でインパルス駆動型の信号が作成されます。
主要な歩行信号としての垂直軸
衝撃特徴の優位性
z軸（垂直）加速度は、歩行サイクル中に最も重要な衝撃特徴を捉えます。体と地面の間の主な力の交換は垂直方向に発生するため、この軸がかかと着地イベントの最も直接的な証拠を提供します。
地面反力のダイナミクス
初期接触時、地面は足に上向きの力を加え、鋭い減速を引き起こします。この「インパルス」は、他の動きのデータによって不明瞭にならない限り、歩行サイクル全体で最も明確な署名です。
周波数分離と信号の明瞭度
遅い体の振動の除去
人間の歩行には、自然にゆっくりとしたリズミカルな揺れと重心の垂直方向の変位が伴います。これらの低周波成分は、より大きな滑らかな波の中に、かかと着地の正確なタイミングを隠す可能性のある「ノイズ」として機能します。
インパルス信号の分離
ハイパスフィルターは、信号の急速に変化する成分のみを通過させます。これにより、手足の徐々に変化する動きが効果的に取り除かれ、足が床に当たることによって引き起こされる突然の高周波スパイクが強調されます。
ピークの可視性の向上
フィルターは「ベースライン」の動きを除去することにより、歩行に関連する特徴的なピークをシャープにします。これにより、ピークが平坦な背景に対して明確に定義されるため、自動システムでの信号処理がはるかに容易になります。
アルゴリズムのパフォーマンスと堅牢性
検出信頼性の向上
フィルタリングがない場合、検出アルゴリズムは大きくて遅い体の動きを歩行イベントと誤認する可能性があります。ハイパスフィルターは、アルゴリズムが実際の歩行を表す高エネルギーの「衝撃」にのみ反応することを保証します。
歩行開始点の定義
かかと着地を明確に特定することは、新しい歩行サイクルの開始をマークするために不可欠です。堅牢なフィルタリングにより、ユーザーが歩行速度や表面を変更した場合でも、この開始点が一貫して特定されることが保証されます。
トレードオフの理解
信号歪みのリスク
ハイパスカットオフ周波数を高すぎると、インパルス信号自体の一部が意図せず除去される可能性があります。フィルターが攻撃的すぎると、検出したいピークが弱まり、ステップの見逃しにつながる可能性があります。
センサーノイズへの感度
ハイパスフィルターは、高周波の機械的振動や電子ノイズを増幅することがあります。IMUがしっかりと取り付けられていない場合、フィルターは実際のかかと着地インパルスではなく、センサーの「がたつき」を強調する可能性があります。
プロジェクトへの適用方法
かかと着地検出を正常に実装するには、周波数分離と信号の整合性のバランスを取る必要があります。
- 検出精度の最大化が主な焦点である場合： 姿勢の揺れをクリアし、衝撃ピークを歪ませることなく、0.5Hzから1Hzの間のカットオフを持つ2次バターワースハイパスフィルターを使用します。
- 低遅延リアルタイムフィードバックが主な焦点である場合：計算遅延を最小限に抑えながら、低周波の体の動きの大部分を抑制するために、単純な1次ハイパスフィルターを実装します。
IMUデータの周波数応答を洗練することは、生の加速度を正確な生体力学的分析ツールに変換する最も効果的な方法です。
概要表：
| 特徴 | ハイパスフィルタリングの影響 | 歩行分析における利点 |
|---|---|---|
| 低周波信号 | 姿勢の揺れと胴体の振動を除去する | バックグラウンドノイズと誤トリガーを排除する |
| 衝撃ピーク | 高エネルギー加速度スパイクをシャープにする | かかと着地瞬間の正確な特定 |
| 信号ベースライン | ベースラインの動きデータを平坦化する | 自動アルゴリズムのピーク可視性を向上させる |
| データ整合性 | 地面反力のダイナミクスを分離する | 一貫した歩行サイクル開始点を保証する |
3515で履物のパフォーマンスを向上させる
グローバルな販売代理店およびブランドオーナーにサービスを提供する主要な大規模メーカーとして、3515は高度な生体力学的洞察を活用して、優れた履物ソリューションを提供します。当社の包括的な生産能力により、すべてのカテゴリにデータ駆動型の設計を統合でき、当社の製品が人間工学と耐久性の最高水準を満たしていることを保証します。
当社の主力安全靴シリーズやタクティカルブーツから、アウトドア、トレーニング、フォーマルシューズまで、競争力を維持するために必要なバルク製造の卓越性を提供します。
3515と提携して、高性能履物を市場に投入してください。
参考文献
- Rafael Castro Aguiar, Samit Chakrabarty. Simplified Markerless Stride Detection Pipeline (sMaSDP) for Surface EMG Segmentation. DOI: 10.3390/s23094340
この記事は、以下の技術情報にも基づいています 3515 ナレッジベース .
よくある質問
- なぜ、ピエゾセンサーを搭載したインソールが膝用外骨格システムに統合されているのですか？
- 健康における人間工学に基づいた靴の重要性とは？現代のデジタルワークスペースにおける生産性の向上
- CAIの研究はどのように靴のデザインに活かされていますか？専門的な履物における神経筋パフォーマンスの向上
- スマートシューズに高電流USB-C電源アダプターが必要なのはなぜですか？AIフットウェアパフォーマンスの実現
- 産業用3D深度カメラは、靴の組み立てにおいてどのような機能を発揮しますか？自動生産のための高精度ビジョン
- 背の高いライディングブーツで利用できるスタイルの特徴にはどのようなものがありますか？フィールドブーツからドレスブーツまで
- 2000年代におけるブランドのイノベーションの特徴は何でしたか？持続可能性への戦略的転換
- フットウェアメーカーにとって、サプライポジショニングモデル（SPM）はどのように役立ちますか？素材サプライチェーンを最適化する